CC BY
297
УДК 621.311
А.И. Андрющенко СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ГОРОДОВ И РАЦИОНАЛЬНЫЕ ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ
Показаны современные недостатки традиционной теплофикации городов, ее низкие экономичность, надежность и экологичность. Предложены рациональные способы их преодоления путем создания комбинированных систем теплоснабжения, обеспечивающих высокую экономичность и надежность при уменьшении в 2-3 раза расхода природного газа, сжигаемого в черте города.
АХ Andrjushenko
MODERN PROBLEMS OF SITIES HEAT SUPPLY AND RATIONAL WAYS OF THEIR SOLUTIONS
Modern lacks of traditional central heating of cities its low profitability, reliability and ecological effects are shown in the article. Rational ways of their overcoming are offered by creation of the combined systems heat supply, providing high profitability and reliability at reduction in 2-3 times of the charge of the natural gas burnt in a city boundaries.
Традиционная теплофикация, столетие начала которой было отмечено в 2003 году, заключается в сочетании централизованного теплоснабжения города (или его части) с комбинированной выработкой на тепловых электростанциях (ТЭЦ) электрической и тепловой энергии. Г одовой график отпуска теплоты от таких ТЭЦ приведен на рис. 1.
Рис. 1. Годовой график потребления теплоты на теплофикационных ТЭЦ
Сущность такого комбинирования заключается в том, что нагрев отдаваемого в сеть теплоносителя производится рабочим телом ТЭЦ после выработки им определенного количества электроэнергии в паровой или газовой турбине. Этим самым уменьшаются тепловые
выбросы ТЭЦ и расход топлива в отопительных котельных. Таким образом достигается значительная (до 30%) экономия топлива, по сравнению с раздельной выработкой соответствующих количеств электроэнергии на одноцелевой ТЭС (КЭС) и теплоты в котельных. Величина этой экономии рассчитывается по формуле
где Вгэт и ВQm - расход топлива при раздельной выработке электроэнергии и теплоты; Втэц -суммарное количество топлива, израсходованного в котлах ТЭЦ на выработку тех же количеств электроэнергии и теплоты, отданных потребителю; ЛВот - перерасход топлива, вызванный тепловыми потерями от низкого КПД конденсационной выработки электроэнергии теплофикационными турбинами ТЭЦ. Из формулы (1) видно, что достигаемая экономия топлива (ЛВ эк) зависит не только от совершенства ТЭЦ, но и совершенства заменяющих ее КЭС и отопительных котельных. Большинство действующих в РФ ТЭЦ построены еще в 50-х - 70-х годах прошлого века. Работают еще и ТЭЦ, построенные в 30-е годы. Если сравнивать экономичность таких ТЭЦ с современными КЭС и котельными, то величина ЛВ сэк с их раздельной выработкой оказывается близкой к нулю и даже отрицательной. Еще больше усложняют эту проблему тепловые потери в сетях, достигающие 20-30% от выработанной на ТЭЦ теплоты. Резко снижает экономичность теплофикации необходимость громадных капиталовложений, требуемых на строительство ТЭЦ и тепловых сетей. Вместе с тем эти затраты могут с лихвой окупиться за счет комбинированной выработки тепловой и электрической энергии на ТЭЦ, если применить новые технологии и системы транспорта теплоты при значительно меньших капиталовложениях. Г лав-ное здесь в том, чтобы энергоустановки ТЭЦ были такими же термодинамически совершенными, как новые КЭС на базе парогазовых установок (ИГУ). Одновременно надо отказаться от тех элементов традиционной теплофикации, которые приводят к значительным энергетическим потерям и капитальным затратам. Это относится, прежде всего, к двухтрубным отопительным сетям и количеству сжигаемого в черте города топлива, особенно природного газа, цена которого в ближайшей перспективе возрастет в 2-3 раза (до 160 долл. США за 1000 нм ). Последний нужно заменять, например, твердым топливом с помощью загородных ТЭЦ. Одновременно будет решаться проблема загрязнения больших городов окислами азота (N0,0 и другими опасными выбросами. Особенно это важно в летний период, когда в городском воздухе концентрация N0x и C0 превышает допустимую в 2-2,5 раза (как во многих районах г. Москвы). В частности, в таких условиях недопустимо размещать в городах и парогазовые ТЭЦ, которые требуют при том же отпуске теплоты расход топлива, в 2 раза больший, чем отопительная котельная (в связи с выработкой значительного количества электроэнергии). Особенно важно, чтобы в летний период не было конденсационной выработки электроэнергии теплофикационными турбинами, где удельный расход топлива вэ превышает вКэс почти в 1,5 раза и этим съедается на ряде ТЭЦ почти вся
экономия топлива от комбинированной выработки энергии в летнее время. Наилучшим способом устранения этих потерь является установка на ТЭЦ (при создании соответствующих условий) паровых турбин с противодавлением совместно с нерегулируемыми отборами пара. Снижение потерь в тепловых сетях может быть доведено до 1,5-2% при одновременном уменьшении их стоимости заменой стальных труб высоких давлений и температур на полиэтиленовые, срок работы которых в 3-5 раз больше, а их стоимость в ближайшей перспективе может быть на порядок меньше. В этих условиях при температуре сетевой воды до 80-90°С могут прокладываться полиэтиленовые тепловые сети непосредственно в грунте на глубине 0,6-0,8 м без тепловой изоляции. При этом не занимается ни одного кв. метра поверхности городских улиц. Такие сети могут работать без замены труб до 50-60 лет, а дополнительный расход топлива на ТЭЦ, вызванный тепловыми потерями в этих сетях, не превышает 1-2% от Втэц. Кроме того, полиэтиленовые трубы обладают еще одним замечательным свойством - на их внутренних поверхностях не образуется накипи и других отложений, что значительно уменьшает их гидравлическое
(1)
сопротивление и расход электроэнергии на привод сетевых насосов. Указанные обстоятельства очень сильно повышают эффективность дальнего теплоснабжения, при котором ТЭЦ может располагаться на расстоянии многих десятков километров от города. Более того, это позволяет использовать для горячего водоснабжения городов тепловые выбросы различных промышленных предприятий, в том числе загородных КЭС и АЭС, расположенных вблизи экологически чистых водных источников. Теплоту низкотемпературных источников здесь можно использовать с помощью однотрубной тепловой сети круглогодично с температурой воды 60-70°С, расходуемой населением на бытовые нужды.
Таким образом, в определенной мере решается и проблема бесперебойного горячего водоснабжения, независимо от работы отопительных систем города. Предлагаемая система горячего водоснабжения может успешно работать и от специально построенных загородных ТЭЦ, работающих на любом топливе (рис. 2). Они могут оборудоваться ПГУ с противодав-ленческими паровыми турбинами, при давлении отработанного пара около 7 кПа, что позволяет полностью исключить конденсационную выработку электроэнергии теплофикационными турбинами. При этом электрическая мощность таких загородных ТЭЦ, обеспечивающих 40-50% годового теплопотребления города, составляет около 30% мощности городских ТЭЦ. Удельная комбинированная выработка электроэнергии на тепловом потреблении будет почти в 2 раза больше, чем на традиционных городских ТЭЦ. Последнее позволяет на загородных ТЭЦ получать годовую экономию топлива такую же, как на старых ТЭЦ мощностью в 2-3 раза большей, чем загородная ТЭЦ.
П то же с надстройкой ГТУ или ДВС
Рис. 2. Схема дальнего низкопотенциального теплоснабжения городов
В этих условиях задача городского теплоснабжения сводится к выбору только отопительных теплоисточников (ИТ), располагаемых непосредственно в городах.
Главными целями здесь являются:
1. Наименьший расход топлива, сжигаемого в черте города, особенно в летний период.
2. Допустимые выбросы вредных веществ (особенно N0x и СО) во всех районах города.
3. Наиболее высокий коэффициент использования теплоты топлива (Кит) во всех теплоисточниках.
Удовлетворяя эти требования, нагрузка ИТ должна быть только в зимний период. Практически это означает, что в условиях Поволжья такие ИТ будут работать только в период с октября по апрель, или около 6 месяцев в году. Отсюда вытекает требование минимизации капитальных затрат на их сооружение. Как правило, это должны быть домовые или рай-
112
онные котельные. Использование для этой цели парогазовых установок (Ш У-ТЭЦ) может быть целесообразным только при низкой концентрации вредных выбросов в соответствующих районах городов.
Обобщая вышеприведенное, можно сформулировать недостатки традиционных систем теплофикации, которые должны быть устранены при их модернизации.
1. Малая удельная комбинированная выработка электроэнергии на тепловом потреблении старых ТЭЦ, вызванная высоким давлением отборного пара и низкими начальными параметрами их цикла.
2. Недопустимо большие потери теплоты в сетях и утечки сетевой воды.
3. Завышенный расход электроэнергии на привод сетевых насосов ТЭЦ, вызванный загрязнением стальных труб и высоким давлением сетевой воды.
4. Конденсационная выработка электроэнергии теплофикационными турбинами ТЭЦ с низким КПД, увеличивающая количество сжигаемого в черте города топлива и вредных выбросов (ВВ) в атмосферу города.
5. Большие удельные капиталовложения в строительство ТЭЦ (по сравнению с КЭС) и тепловых сетей при малом сроке их службы.
6. Отчуждение дорогой городской земли при канальной и бесканальной прокладке двухтрубных тепловых сетей с высокой температурой сетевой воды.
7. Малое число часов использования тепловой мощности традиционных городских ТЭЦ, вызванное сезонностью отопительной нагрузки.
Обобщая все изложенное выше, мы приходим к выводу о непригодности в новых экономических условиях традиционной (к тому же изношенной) системы теплофикации, состоящей из городских ТЭЦ и двухтрубных тепловых сетей, через которые направляется высоко нагретая вода для отопления и горячего водоснабжения. Очень важно здесь отметить, что такая устаревшая (традиционная) система централизованного теплоснабжения оказывалась не всегда эффективной и в советское время. Экономически она окупалась только в больших городах при электрической мощности теплофикационных турбин не менее 50 МВт. Надо признать, экономический эффект от теплофикации, рассчитываемый по законам СССР, был завышен, где все ее элементы принадлежали государству, земля и речная вода предоставлялись бесплатно, плата за вредные выбросы отсутствовала. Более того, капитальные затраты на сооружение ТЭЦ и магистральных сетей в себестоимости вырабатываемых энергий не учитывались. Были только амортизационные отчисления, за счет которых производились капитальные ремонты основного оборудования. Определенное повышение величины достигаемой экономии топлива на ТЭЦ определялось по условным удельным расходам топлива (вэ и вд), не учитывающим реальных потерь в системе транспорта теплоты. Экономия топлива определялась по отпущенной теплоте, а не полученной потребителями. Поэтому было «выгодно» не уменьшение потерь в сетях, а их увеличение. Даже до сих пор многими энергетиками считается, что на электроэнергию, вырабатываемую в надстроенных над отопительными котлами ГТУ, расходуется всего 140-160 г кВт-ч условного топлива, при удельном расходе топлива на лучших КЭС России не менее 320 г/(кВт-ч). Замена этой старой методики на новую (ОРГРЭС), привела к тому, что на тех же действующих ТЭЦ расчетное значение в”?34 стало превышать 400 г/кВт-ч. Примером этому может служить Саратовская ТЭЦ-1, построенная еще в 30-е годы по плану ГОЭЛРО, которая еще недавно считалась самой экономичной с удельным расходом топлива в?34 180 г/кВт-ч, а сейчас при том же ее «совершенстве», но уже по новой методике расчета в"?щ стало равным 400
г/кВт-ч. Естественно, что в новых (рыночных) экономических условиях все эти расходы стали оплачиваться потребителями. К тому же отсутствие теплосчетчиков в жилых домах позволяет владельцам системы теплоснабжения завышать отпуск теплоты и относить к потребителям все потери в сетях. Все это увеличило тарифы на теплоту в 2 раза и более. Стало более выгодным строить в домах свои котельные, в частности, «крышные» и даже квартирные теплогенераторы.
113
Это вполне устраивает и городские власти, поскольку строительство малых теплогенераторов включается в стоимость дома и сразу оплачивается получателями квартир. Строительство типовых паротурбинных ТЭЦ и тепловых сетей требует громадных инвестиций, которые окупаются в лучшем случае за 8 лет, а продолжительность их строительства превышает обычно 5-6 лет и более. Немаловажную роль играет низкая надежность теплоснабжения от городских ТЭЦ, о чем свидетельствуют многие случаи срыва отопления во многих городах России, в том числе размораживание отопительных систем по причинам «веерного» отключения электроэнергии целым районам города, производимыми РАО ЕЭС. Отказу от традиционной теплофикации способствует и нынешний способ регулирования отдачи теплоты, приводимое к «недотопу» в холодный и «перетопу» в весенний период. Разработанная в нашем университете на кафедре теплоэнергетики методика объективного определения реальной экономии топлива от теплофикации с большим трудом пробивает себе дорогу, хотя ряд ученых - энергетиков страны стали уже ее применять в своих научных исследованиях. При этом стало очевидным, что надо срочно разрабатывать новые системы теплоснабжения городов, которые позволили бы достигать реальную экономию топлива с меньшими капиталовложениями и с высокой надежностью. В результате проведенных исследований в Проблемной научно-исследовательской лаборатории теплоэнергетических установок электростанций (ПНИЛ ТЭУ) университета разработаны новые, более совершенные системы теплоснабжения городов, использующие новейшие парогазовые технологии и полиэтиленовые трубы. В качестве примера рассмотрим здесь только один вариант комбинированной системы теплоснабжения (рис. 2), предназначенной для городов с завышенной загазованностью. Здесь учитывается и то обстоятельство что цена газа в ближайшие годы должна быть повышена до европейского уровня (160 долл.) (рис. 3), т.е. более чем в 3 раза. В предлагаемой системе реализуются следующие принципы: 1) годовое количество сжигаемого в городе природного газа для отопления и горячего водоснабжения уменьшить в 2-3 раза, а в летнее время до нуля; 2) создать условия для возможной замены расходуемого на ТЭЦ газа недефицитным топливом; 3)уменьшить потребные капиталовложения в ТЭЦ и тепловые сети хотя бы в 1,5-2 раза, при одновременном сокращении срока строительства; 4) дать возможность тепловым потребителям включать и выключать отопление в любое время года и поддерживать в квартирах нужную им температуру воздуха; 5) обеспечить жилые дома и коммунальные предприятия горячей водой в течение года, независимо от работы отопительной системы. При этом ее санитарное качество должно соответствовать питьевой воде и не зависеть от состояния воды в отопительных системах и в системе городского водоснабжения. Эти требования, оказывается, можно полностью реализовать при осуществлении отопления и горячего водоснабжения от разных источников теплоты.
ДК - домовая котельная на природном газе; БА - бак-аккумулятор горячей воды Рис. 3. Система комбинированного теплоснабжения жилого дома
В частности, горячее водоснабжение должно осуществляться от загородных ТЭЦ, работающих на любом топливе, т.е. путем осуществления низкотемпературного теплоснабжения с однотрубной магистральной сетью. Учитывая, что загородная ТЭЦ может строиться на самых дешевых землях без системы вторичного охлаждения и теплового загрязнения реки потребные инвестиции на ее строительство могут быть в 3-5 раз меньше, чем на городскую ТЭЦ.
Однотрубная полиэтиленовая теплосеть будет на порядок дешевле, чем двухтрубная высокого давления и т.д. При этом вся отопительная нагрузка в городах с большой фоновой загазованностью должна осуществляться от местных теплогенераторов и районных котельных, работающих только в отопительный период. Эти котельные, если их надстроить самыми простыми ГТУ или поршневыми ДВС, будут служить и определенным резервом электроснабжения. Более того, наличие независимого горячего водоснабжения позволяет его использовать для кратковременного отопления отдельных домов в аварийных ситуациях. Этим самым обеспечивается высокая надежность предлагаемой системы теплоснабжения.
Произведенные экономические расчеты показывают, что такая система комбинированного теплоснабжения может обеспечить годовую экономию топлива (по сравнению с выработкой электроэнергии на КЭС и всей теплоты в котельной) до 30%, снижением его количества, сжигаемого в атмосфере города в отопительный период почти на 40%, а в летний период - до нуля. Г лавное - обеспечить выполнение надежности теплоснабжения и улучшения здоровья жителей городов.
Выводы
1. Восстановление изношенных систем теплофикации от крупных ТЭЦ с двухтрубными стальными тепловыми сетями ни по экономическим, ни по экологическим соображениям нецелесообразно.
2. Они должны быть заменены новой, комбинированной системой дальнего горячего водоснабжения от загородных ТЭЦ, расположенных у источников пресной воды и нагревающих ее до 70оС при отсутствии возврата «обратной» воды на ТЭЦ. Это позволяет применять однотрубную тепловую сеть с использованием полиэтиленовых труб с их укладкой непосредственно в грунт.
3. При такой системе теплоснабжения покрытие всей отопительной нагрузки в городе можно производить только от местных котельных. При этом выбросы вредных веществ в атмосферу города от источников теплоснабжения в летний период уменьшаются до нуля.
4. Потребность в инвестициях на сооружение загородных ТЭЦ и однотрубных сетей оказывается намного меньшей, чем на реконструкцию традиционной теплофикации от крупных городских ТЭЦ.
5. Местные отопительные котельные должны быть оборудованы резервными дизельными энергоустановками, или мини-ГТУ, повышающими надежность электроснабжения города.
ЛИТЕРАТУРА
1. Андрющенко А.И. Пути сокращения расхода природного газа в системах тепло-энергоснабжения городов / А.И. Андрющенко // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2001. № 9-10. С. 49-52.
2. Андрющенко А.И. Выбор перспективных схем теплоснабжения городов с использованием парогазовых технологий / А.И. Андрющенко, Ю.Е. Николаев // Промышленная энергетика. 2004. № 9. С. 22-25.
3. Андрющенко А.И. О разделении расхода топлива и формировании тарифов на ТЭЦ / А.И. Андрющенко //Теплоэнергетика. 2004. № 8. С. 77-78.
Андрющенко Анатолий Иванович -
доктор технических наук, профессор кафедры «Теплоэнергетика»
Саратовского государственного технического университета
